光纤陀螺仪的发展及应用

光纤陀螺仪的发展及应用
摘要：
作为光纤传感器的一种，光纤陀螺仪具有了更多的优点，它具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，就是因为这些优点，光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

本文主要介绍了光纤陀螺仪的工作原理，特点，分类，应用及发展现状。

关键词：
光纤传感器，陀螺仪，光纤陀螺仪，导航系统。

Abstract：
As one of the fiber sensors,FOG has more advantages.It has a compact structure,high sensitivity,high reliability and so on.Just because of these advantages,FOG nearly replace all the traditional mechanical gyroscopes and become the critical component of modern navigational instruments.This paper introduces the working principle,the features,sorts,usage and statues of development of the FOG.
Key words:
fiber sensors,gyroscopes,FOG,navigation system.
引言：
现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，
它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。

自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

光纤陀螺仪是新一代无惯性陀螺仪,它可以保障未来现代技术的发展和国防以及民用领域采用新的技术措施。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。

1.光纤传感技术的介绍
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而发展起来的一种以光为载体、光纤为煤质，感知和传输外界信号的新型传感技术。

其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器与常规传感器相比的最大优点是对电磁干扰的高度防卫度，而且它可以制成小型紧凑的器件，具有多路复用的能力，以及可以制成分布式的传感器结构等，不少光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面也具有明显的优势。

2.陀螺仪的概述
陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实
用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。

陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。

人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。

研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。

陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。

人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。

陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。

然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

3.光纤陀螺仪
光纤陀螺仪光纤传感器的一种，光纤陀螺仪是新一代无惯性陀螺仪。

它可以保障未来现代技术的发展和国防以及民用领域采用新的技术措施。

由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

3.1 光纤陀螺仪的工作原理
现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。

塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动
速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。

也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。

利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。

从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。

现在比较先进的光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。

比较典型的光纤陀螺应该具有量程宽,精度高，响应快，灵敏度高,，模拟和数字输出，坚固可靠，不受电磁，震动影响等特点.因此光纤陀螺已成为准确控制，高精度角速度测量的首选应用。

3.2 光纤陀螺仪的分类
光纤陀螺根据其工作方式可分为干涉型和环形谐振腔型两大类。

干涉式光纤陀螺（Ⅱ-FOG）：
在线圈面积一定的条件下，通过增加线圈匝数可以增强塞格尼克效应。

干涉式光纤陀螺就是利用多匝低耗单模光纤构成的双波环形干涉仪。

通过改变光纤线圈的面积和匝数改变光纤陀螺的工作范围，可以得到不同性能要求的产品，满足不同用户的需要，这也是光纤陀
螺相对于传统机电陀螺的一大优点。

目前干涉型光纤陀螺技术已经非常成熟，世界各国开发的使用产品几乎都是干涉型光纤陀螺。

谐振式光纤陀螺（R-FOG ）：
谐振式光纤陀螺是利用塞格尼克效应，通过检测旋转非乎易性造成的顺、逆时针两行波的频率差来测量角速度。

图1 谐振式光纤陀螺原理图
相干光经定向耦合器C4分成两路，分别经过耦合器C2，C3传至C1并从两端注入光纤环形谐振腔，形成相向传播的相干光束。

当谐振腔满足谐振条件并达到稳态时，环形腔中的光强达到最大。

当陀螺旋转时，两束光的谐振频率分裂产生频差；
A 为环形谐振腔包围的面积，L 为光纤的长度，λ为光波长。

谐振式光纤传感器克服了干涉型光纤陀螺的诸多缺点，具有很
大的发潜力。

目前还处于实验室研究阶段，离实用化还有一定的距离。

4.光纤陀螺仪的应用及发展现状
自从1976年美国犹他大学的VALI 和SHORTHILL 等人成功研制第Ω
=-=∆L A f f f ccw cw λ/4
1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年。

在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。

光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。

光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。

光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。

光纤陀螺成本低、维护简便，正在许多已有系统上替代机械陀螺，从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。

现在，光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势,正逐步替代其他型陀螺。

5.结论
到目前为止，光纤陀螺已从供战术应用的低精度型向导航用的中精度和高精度型发展，以光纤陀螺为基础的惯性系统也开始在越来越多的场合得到应用。

今后光纤陀螺的研究趋势有: (1)采用三轴测量代替单轴，研发多功能集成光学芯片、保偏技术等，加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度；(2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用，特别是民用惯性导航技术；(3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究，开发新型的
光纤陀螺B-FOG和FRLG等。

参考文献：
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【2】王惠文，等.光纤传感器技术与应用[M].北京：国防工业出版社，1996.
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